[论文解读] Nonlinear Zeeman effect in electromagnetically induced transparency

Linjie Zhang, Shanxia Bao+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本研究在室温铯原子气室中，利用最高达50 G的磁场，研究了里德堡电磁诱导透明（EIT）系统中的非线性塞曼效应。在约5 G时即观察到显著的光谱不对称性，其成因主要为二次塞曼位移及光学泵浦与EIT之间的复杂相互作用。量子蒙特卡罗模拟与实验结果高度吻合，凸显了该效应在精密测量中的重要意义。

ABSTRACT

We perform Zeeman spectroscopy on a Rydberg electromagnetically induced transparency (EIT) system in a room-temperature Cs vapor cell, in magnetic fields up to 50~Gauss and for several polarization configurations. The magnetic interactions of the $\vert 6S_{1/2}, F_g=4 angle$ ground, $\vert 6P_{3/2}, F_e=5 angle$ intermediate, and $\vert 33S_{1/2} angle$ Rydberg states that form the ladder-type EIT system are in the linear Zeeman, quadratic Zeeman, and the deep hyperfine Paschen-Back regimes, respectively. Starting in magnetic fields of about 5~Gauss, the spectra develop an asymmetry that becomes paramount in fields $\gtrsim40$~Gauss. We use a quantum Monte Carlo wave-function approach to quantitatively model the spectra. Simulated spectra are in good agreement with experimental data. The asymmetry in the spectra is, in part, due to level shifts caused by the quadratic Zeeman effect, but it also reflects the complicated interplay between optical pumping and EIT in the magnetic field. Relevance to measurement applications is discussed. %The simulations are also used to study optical pumping in the magnetic field and to investigate the interplay between optical pumping and EIT, which reduces photon scattering and optical pumping.

研究动机与目标

• 研究在可变磁场下里德堡EIT系统中的非线性塞曼效应。
• 理解在非线性区域中观测到的塞曼光谱不对称性的起源。
• 采用量子蒙特卡罗方法，对磁场中光学泵浦与EIT的相互作用进行建模。
• 评估这些效应在精密测量应用中的相关性。

提出的方法

• 在室温铯原子气室中对一种阶梯型EIT系统进行塞曼光谱测量。
• 施加最高达50 G的磁场，对多种偏振配置进行测量。
• 该系统涉及|6S₁/₂, Fg=4⟩基态、|6P₃/₂, Fe=5⟩中间态和|33S₁/₂⟩里德堡态，各态表现出不同的塞曼行为区域。
• 采用量子蒙特卡罗波函数方法模拟光谱，考虑能级位移和光学泵浦动力学。
• 将模拟光谱与实验数据进行定量比较，以验证模型。
• 该模型成功捕捉了光学泵浦与EIT之间的相互作用，显示出光子散射和光学泵浦效应的减弱。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁场高于5 G时，里德堡EIT光谱中观测到的光谱不对称性由何原因引起？
• RQ2 里德堡态中的二次塞曼位移在观测到的光谱畸变中起何种作用？
• RQ3 在磁场存在下，光学泵浦与EIT的相互作用程度如何？
• RQ4 量子蒙特卡罗波函数模型在多大程度上能准确再现该系统中的实验塞曼光谱？
• RQ5 这些效应对里德堡-EIT系统中精密测量应用有何影响？

主要发现

• 当磁场高于约5 G时，光谱不对称性变得显著，并在超过40 G时进一步增强。
• 该不对称性部分源于里德堡态中的二次塞曼位移，该态处于强超精细帕邢-巴克区。
• 磁场中光学泵浦与EIT的相互作用在光谱形状形成中起关键作用。
• 量子蒙特卡罗模拟与实验光谱具有良好的定量一致性。
• 模拟结果表明，光学泵浦与EIT共同作用可减少光子散射和光学泵浦效应。
• 研究结果提示，这些效应在利用里德堡-EIT系统进行精密测量中具有重要意义。